（控制理论与控制工程专业论文）汽油发电机组控制系统的研究及设计.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的提高，内燃发电机组正得到日益 广泛的应用。在i o k w 以下的发电机组中，小巧轻便的汽油发电机组占有大部分的 市场。目前，国内外采用机械式调速器控制发电机组转速，在负载变化时存在转 速超调大等缺陷，影响发电机输出电源的稳定，限制了发电机性能的进一步提高。 近年来，为适应发电机组“轻型化”和“小型化”的要求，采用高速汽油机、永 磁中频发电机和逆变技术成为小型便携式汽油发电机组的发展方向。 本文的研究对象为苏州泰格动力机器有限公司提供的汽油发电机，该汽油发 电机单个功率较小，但相对设备具有的功率负载变化很大，导致在负载出现较大 的变化时，汽油调节阀门波动较大，交流发电机的输出电压不稳定，影响发电机 性能指标。 本文针对苏州泰格动力机器有限公司所生产的汽油发电机目前存在的这些 问题，进行了汽油机一发电机控制系统的研究和设计，获得了如下成果： ( 1 ) 在对汽油发电机工作原理以及其交一直一交功率变换方式进行研究分析 后，确定了控制系统框图，明确可以测量和控制的变量，最终的输出变量。研究 了各种控制方案。 ( 2 ) 探讨了适用于小型汽油发电机组控制系统的控制算法。在对控制系统 模型的分析基础上，通过对汽油发电机实际应用中带载情况的分析，设计了以转 速反馈为主，以反映负荷变化的电流补偿为辅的控制方案，可使发电机组在负载 不断变化的情况下，能够迅速自动调节汽油机节气门的开度，使得输出电源保持 恒定。在负荷不变时，使汽油机稳定在一定的转速下运转，减小节气门的波动， 提高输出电压的稳定性。 ( 3 ) 上述控制方案已在实际的汽油发电机上进行了实验分析，实验结果表 明，发电机输出电压在各种负载变化情况下能够保持稳定，并且具有超调小，稳 定时间短的特点，从而可以大大提高汽油发电机的电源品质，提高产品的质量和 竞争力。 ( 4 ) 此外，通过对汽油机的特殊工况的分析，进行了控制方案的进一步改 进，采取了模糊- p i d 控制算法，并在m a t l a b s i m u li n k 仿真环境下对选取的控 制算法进行了仿真研究，验证了本控制算法在本研究中的可行性。 ( 5 ) 给出了汽油发电机组控制系统的软硬件设计过程和方法。 关键词：汽油机发电机组，转速，负载电流，电源，控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h er a i s eo f p e o p l el i v i n gs t a n d a r d ，t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ng e n e r a t o r sa r eo b t a i n i n gw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n sd a yb yd a y s m a l lg a s l i o n eg e n e r a t o r sh o l dt h em a j o r i t yo fm a r k e t s p a r t i c u l a r l yi nt h ef i e l dw i t hp o w e rc a p a c i t yl o w e rt h a n10 k v a a tp r e s e n t ，d o m e s t i c a n d f o r e i g nr e s e a r c h e so nt h es m a l lg a s o l i n e g e n e r a t o r so f t e nu s em e c h a n i c a l r e g u l a t o r st oc o n t r o le n g i n es p e e d ，w h i c hm a yr e s u l ti nb i go v e r s h o o tw h e nl o a d c h a n g e sa n dl i m i t et h eg e n e r a t o r sp e r f o r m a n c e i nr e c e n ty e a r s ，t oa d a p tt h e “l i g h t a n d m i n i a t u r e ”d e m a n d ，a d o p t i o no fh i g h - s p e e dg a s o l i n ee n g i n ea n dp e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o rw i t ht h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n di n v e r t e rt e c h n o l o g yb e c o m e s t h ed i r e c t i o nf o rd e v e l o p m e n to fs m a l lg a s o l i n eg e n e r a t o r s t h et h e s i st a k e st h eg a s o l i n eg e n e r a t o rf r o ms u z h o ut i g e rc o ，l t da st h e r e s e a r c ho b j e c t t h eg a s o l i n eg e n e r a t o rh a sl o w o u t p u tp o w e rb u s tn e e d st ob es u i t a b l e t oaw i d er a n g eo fl o a dc h a n g e s w h e nt h el o a dc h a n g e sr a p i d l y , t h ec o n t r o lv a l v eo f t h eg a s o l i n ee n g i n em a yf l u c t u a t eh e a v i l ya n dt h eo u t p u to ft h eg e n e r a t o rm a yb e c o m e u n s t a b l e a l lo ft h e s ea f f e c tt h eg e n e r a t o r sp e r f o r m a n c e t h et h e s i sf o c u s e so nt h e i s s u e st od e v e l o pac o n t r o ls y s t e mf o rg a s o l i n ee n g i n e g e n e r a t o r s t h em a i nw o r k s a n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sb e l o w ： ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so fg a s o l i n eg e n e r a t o r s ，w ed e s i g nt h e b l o c kd i a g r a mo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n di d e n t i f yt h em e a s u r e a b l ev a r i a b l e sa n dt h e c o n t r o l a b l ev a r i a b l e sa f t e re v l u a t i o no fv a r i o u sc o n t r o ls c h e m e s ( 2 ) t h et h e s i sp r e s e n t sac o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi sa p p l i c a b l et ot h es m a l l g a s o l i n eg e n e r a t o r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lm o d e la n dt h ep r a c t i c a l e x p e r i m e n t s ，t h ec o n t r o lt a k e saf o r mo fr o t a t i o n a ls p e e df e e d b a c ks u p p l e m e n t e db y c u r r e n tc o m p e n s a t i o nw h i c hc a nr e f l e c tt h ev a r i a t i o ni nl o a d i tc a na u t o m a t i c a l l y r e g u l a t et h et h ec o n t r o lv a l v eo ft h eg a s o l i n ee n g i n et oa d a p tt ot h el o a dc h a n g e ss o t h a tt h eo u t p u tp o w e rc a nb es t a b l i z e d ( 3 ) t h ec o n t r o ls c h e m eh a sb e e ni m p l e m e n t e di nar e a lg a s o l i n eg e n e r a t o r t h e r e s u l t ss h o w eac o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs m a l lo v e r s h o o ta n ds h o r tr e g u l a t i o nt i m ee v e n t od r i v eav a r i a b l el o a d t h e r e f o r e ，t h eg e n e r a t e de l e c t r i c i t yq u a l i t yh a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e d ( 4 ) a f t e ra n a l y s i so ft h es p e c i a lw o r k i n gs t a t e so fg a s o l i n eg e n e r a t o r s ，a d v a n c e d l l a b s t r a c t c o n t r o ls c h e m e sa r ef u r t h e r es t u d i e d af u z z y - p i dc o n t r o la l g o r i t h mi so b t a i n e da n di s s i m u l a t e di nt h es i m u l i n ko fm a t l a b t h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h mi s v e r i f i e d ( 5 ) t h et h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g np r o c e s sa n dm e t h o df o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e g e n e r a t o rs e t ，r o t a t i o n a ls p e e d ，l o a dc u r r e n t ，p o w e r , c o n t r o ls y s t e m i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 去二爱砍d 致 刘口g 年弓月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：素披 沙g 年二月，2e l - i i - - - i 憎vo r ) jd 第1 章绪论 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 随着我国工业的飞速发展和人民生活水平的不断提高，内燃发电设备作为现 代技术、经济发展最适用的电源保障，在商业场所、娱乐场所、家庭备用、野外 作业、建筑机械、农业机械、园林机械等领域得到了广泛的应用。 2 0 0 3 年以来，我国电力供需形势极其严峻，这给我国内燃发电设备行业带来 了机遇与挑战并存的局面。国外企业、产品依靠其雄厚资本以及先进技术大量进 入我国市场，对我国的相关企业造成冲击。进口的发电机及发电机组主要来自日 本、美国和韩国，其中，来自日本进口的发电机及发电机组约占进口总量的6 0 。 因此，多途径地实现我国备用发电设备的全面更新换代，使之具有国际竞争力， 己成为我国发电设备行业的当务之急【l 】。 在内燃发电机组中，小型汽油机一发电机组因具有小巧、灵活机动等优点， 在1 0 k w 以下的小容量发电机需求中占据主导地位【l 】。但目前国内外针对小型便 携式汽油机一发电机组的数字控制系统进行的研究相对较少，为适应市场的需 要，开发一种价格低廉、可靠性高、具有良好通用性和扩展性的数字控制系统具 有较大的应用价值。 1 2 课题背景及来源 本课题是与苏州泰格动力机器有限公司合作的研究课题，研究对象为该公司 提供的小型汽油发电机。汽油发电机输出电源的稳定性是评价发电机性能的一个 重要指标。苏州泰格动力机器有限公司目前生产的汽油发电机单个功率较小，但 相对设备具有的功率负载变化很大，导致在负载出现较大的变化时，汽油机节气 门调节波动较大，交流发电机的输出电压不稳定，影响发电机性能指标，大大降 低了汽油发电机输出电源的品质。故本课题的目标即是针对该设备目前存在的问 题，进行汽油机一发电机控制系统的改进和设计，最终使汽油发电机的输出电压 在各种负载变化情况下能够保持稳定，提高电源品质。 1 2 1 汽油机一发电机组的用途1 2 j 汽油机一发电机组是一种用途非常广泛、地位十分重要的发电设备，它在国 第1 章绪论 民经济各部门中得到了普遍的应用。在市电不能到达的林区、牧区、矿区和国防 工程等场合，汽油机一发电机组可以作为独立电源，提供照明电和动力电。在有 市电供电的单位或地区，当供电要求很高，不允许停电或需要尽快恢复供电的场 合，如电厂、高层建筑、车站、医院、宾馆和银行等，汽油发电机组可以作为应 急备用电源，一旦市电停电，能迅速提供稳定的交流电源。回顾2 0 0 8 年初的暴雪 灾害，汽油发电机组作为独立电源及备用电源在抗灾中起到了关键作用。另外， 小型汽油发电机组因其体积小、重量轻、携带方便等特点，作为军事便携式动力 电源、野外作业电源等被广泛的应用。 1 2 2 汽油机一发电机组的组成和性质0 2 i 首先，汽油机一发电机组是一种机电一体化设备，它由汽油发动机、交流发 电机和机组控制系统这三大部件组成，其技术涉及到机械动力学、电学和自动化 控制等各个领域。 其次，汽油机一发电机组是一种能源转换设备，它是将热能( 燃油通过燃烧) 转化为机械能( 汽油机旋转) ，最终转变化为电能( 交流发电机切割磁场) 的一 套设施，燃油是其原料，电能是其产品。 再次，汽油机一发电机组是一种成套设备。所谓成套设备，是指汽油机一发 电机组是由一些独立的部件组合而成，并且这些独立部件的品质和性能，对汽油 机一发电机组的品质和性能有着重要影响。在汽油机一发电机组的各主要部件 中，汽油发动机无疑有着最为重要的地位，这不仅是因为汽油发动机的价值最高， 而且也是因为汽油发动机是整个汽油机一发电机组的心脏，在能源转换过程中发 挥着最大的作用。 1 2 3 本课题中汽油机一发电机系统介绍 作为本课题研究对象的汽油发电机组是苏州泰格动力机器有限公司生产的 单缸四冲程汽油机，额定功率为1 k w 3 1 ，这种汽油机在农林机械、商场商店、 家用生活等领域得到了广泛应用。整个汽油机一发电机系统的大体框架如图1 1 所示。 2 第1 章绪论 图1 1 汽油机一发电机系统框图 该系统工作方式为：汽油发动机为动力源带动交流发电机，输出交流电压和 交流电流( 随汽油发动机转速增高而增大) ，发电机输出的三相交流电经过半导 体整流器和滤波电容，输出直流电压( 可调节电压幅值) ，再经逆变电路后输出 目标为固定频率，固定电压的交流电源( 2 2 0 v ，5 0 h z ) 。 如前文所述，该系统在较大负载变化情况下，输出电压波动很大。目前所采 用的解决方式是为了保证在负载变化较大时的输出电压质量，在逆变装置和整流 装置中均留有了余量，无疑这会造成一定的能量损失。本研究就是要设计一个控 制系统使逆变装置、整流装置，尤其是使交流发电机尽快响应负载的变化，从而 保证交流电源对负载变化的反应速度，提高整个装置输出电源的品质。 1 3 课题研究现状 1 3 1 现有的汽油机一发电机系统控制方案分析 衡量供电系统的供电质量有以下几项：电压的恒定程度、频率的恒定程度、 正弦波纯正程度、三相电量平衡程度、可靠性水平等等。我们主要从前两条出发 来考虑对汽油机一发电机系统的控制。 汽油发电机组是由汽油发动机拖动发电机向外部负载供电的，负载要求发电 机产生的交流电压和频率越稳定越好，电压和频率直接受发动机转速的影响，发 动机转速如不稳，则发电机产生的交流电压和频率也不稳【4 。 在本研究所采用的汽油机一发电机系统中，输出电源的频率并没有直接受发 动机转速的影响。图1 2 所示的为现有的汽油机一发电机组系统调节方案框图。 3 第1 章绪论 图1 2目前汽油机一发电机系统调节方案框图 由图1 2 可以看出，在整流环节和逆变环节都有自调节装置，所以虽然发动机的 转速影响发电机的输出电压和频率，但由于有整流和逆变电路的调节，输出电源 的频率可以得到保证。但受负载的影响，输出电源的电压会产生变化，为了保证 输出电源电压的稳定，必须根据负载的变化，不断调整发电机的输出端电压以弥 补负载变化时电源输出电压的变化，这要依靠调节汽油机的转速来实现。所以， 对汽油机一发电机系统的控制即是对汽油机转速的控制。 进一步分析可以得出整个系统对汽油机转速的控制要求如下：在负载恒定 时，要求汽油机在一定转速保持稳定运转，提高输出电源的稳定性；在负载发生 变化时，要求汽油机转速可以迅速改变以增加或减小发电机输出端电压，从而弥 补输出电源的变化。 1 3 2 国内外发展概况 通过上一节的分析可知调速机构的调速特性直接关系到发电机组的供电品 质，进而决定用电设备的使用性能，还会影响到机组运行的可靠性，故发电机组 对调速特性有特殊的要求。在传统的机械、液压式调速机构中，由于转速偏差测 量与放大均通过机械元件实现，难于完成较为复杂的调节规律和控制功能，无法 满足进一步提高调节精度和自动化程度的要求。性能更为优越的数字式电子调速 机构将是今后发展的方向和重点1 5 j 。 归纳近年来国内和国外内燃机电站用发动机所配用的调速器的种类分布情 况可知：1 2 千瓦以上的大功率电站的原动机普遍为柴油机，几乎全部采用电子调 速器和机械一液压式调速器；6 千瓦以下的中小功率发电机组的调速装置一般采 用传统的机械调速器，其中l 千瓦以下的小型便携式发电机组全部采用汽油机作 为动力【6 1 。 目前国内外对大型柴油机组用电子调速器研究已较为深入，开发出很多成功 4 第1 章绪论 的产品叼。而针对小型汽油机用电子调速器而进行的研究相对较少，且由于柴油 机和汽油机在结构上存在差异，对调速器要求不一样。因此在柴油机控制系统中 取得的成果不能直接应用到小型高速汽油发电机组转速调整装置上哺j 。 近年来，为适应发电机组“轻型化 和“小型化”的要求，采用高速汽油机、 永磁中频发电机和逆变技术成为小型及便携式发电机组的发展方向。在高速汽油 机的控制中，传统的机械调速器受其固有结构的局限，不能适应高转速、高精度 和轻、小型化的需要，在使用实践中暴露出了可靠性差及调节不便等致命缺陷， 严重制约了产品质量稳定性的提高。另外，由于便携式发电机组强调其体积小、 重量轻的特点，对所配调速机构的瞬态调节率指标要求十分苛刻，一般大型机组 所用电子调速机构的设计模式大都不能采用。关于汽油机用智能数字调速系统， 国内公开文献报道不多。国外主要有日本在进行相关研究，其采用算法多为一般 控制用p i d 算法，其控制电路以分立元件为主，产品主要是针对具体机型，没有 通用定型产品出现。日前对调速机构的研究，一方面对传统的p i d 控制进行改进， 研究有关参数的整定、校正等，试图克服传统p i d 的不足【9 】：另一方面开始尝试 自适应控制、模糊控制等在调速控制中的应用。 1 4 本文的主要工作及主要成果 目前的汽油机一发电机组系统在启动、突加负载、突减负载、载荷持续变化 等各种负载变化情况下，发电机组输出电压不稳定。本课题运用单片微型计算机 技术与电子技术，研究和开发了一套应用于小功率汽油发电机组上的控制系统， 选择合适的控制算法，通过控制算法实现步进电机所需要的运动要求，并由步进 电机控制汽油机节气门的开度来实现对汽油发电机组转速的控制。本论文研究的 内容大致可以分为以下几个方面： ( 1 ) 基于a t m c g a l 6 单片机的汽油机一发电机组控制系统的设计 控制系统设计包括两个部分：硬件设计和软件设计。 硬件部分( 即数据采集系统和相应的控制系统) 由以下几部分组成：取得当 前信号的信号采样电路、对信号进行数字化处理的数字控制器、执行驱动电路和 执行器。 软件部分主要由有二个部分组成：1 、数据采集和控制系统软件。2 、显示和 分析软件。主程序完成系统各种硬件、软件的初始化和控制过程的管理；反馈信 号采集、调节运算、控制量输出等过程由相应功能子程序完成；执行机构的状态 检测、频率信号采集、通讯等控制过程则由中断服务子程序予以完成。 ( 2 ) 汽油发电机组控制系统控制算法研究 5 第1 章绪论 本部分主要研究系统的控制算法，控制算法的选取与确定是本课题研究的重 点和难点，它是系统软件部分的灵魂，所选取的控制算法的匹配程度直接影响到 整个系统的控制性能。本部分在对控制系统模型的分析基础上，通过对汽油发电 机实际应用中带载情况的分析，设计了以转速反馈为主，以反映负荷变化的电流 补偿为辅的控制方案，使发电机组在负载不断变化的情况下，能够自动调节汽油 机节气门的开度，给汽油机提供适量的燃油，让汽油机稳定在额定的转速下运转， 减小节气门的波动，提高输出电压的稳定性。并结合m a n a b s i m u l i n k 仿真 软件对发电机系统进行控制算法的仿真分析。 ( 3 ) 汽油发电机组的实验分析 本课题是来源于实际的工程项目，所以进行现场的实验操作也是必不可少 的。在这个部分，开发了上位机通信程序用于采集信号和实时显示曲线，验证控 制算法的可行性。 通过上述的研究工作，并且在实际的汽油发电机上进行验证后表明，发电机 输出电压在各种负载变化情况下能够保持稳定，并且具有超调小，稳定时间短的 特点，从而可以大大提高汽油发电机的电源品质。 6 第2 章汽油发电机组结构及t 作特性 第2 章汽油发电机组结构及工作特性 汽油机一发电机组是以汽油发动机为动力，带动发电机转子旋转，从而产生 所需的电压、电流输出。通过对汽油机转速的控制【1 3 】，实现对发电机输出电源 的控制。本章在简单介绍汽油发电机组系统控制的基本原理后，对汽油机和发电 机的工作原理和工作特性进行了分析。 2 1 汽油机一发电机组系统控制原理 在第一章的分析中可以知道，汽油机的转速主要影响发电机输出的电源电 压，电源的频率稳定主要依靠逆变电路实现。所以对汽油机一发电机组系统的控 制即是对汽油机转速的控制。系统控制原理如图2 1 所示。被控对象是汽油机的 节气门。 图2 1 汽油发电机组控制原理图 控制原理如下：检测单元采样到汽油机的被控信号后，送入控制器与设定的 值进行比较得到偏差值，控制器根据此偏差值按照特定的控制算法进行相应控制 运算，得出是应该开大节气门还是关小节气门，以及具体的开大量或关小量，再 通过执行机构对汽油机的节气门进行相应的控制，使得汽油机在可变负荷下保持 在设定工况进行工作。在此自动调节系统中，各环节相互作用的总回路始终是闭 合的，一个环节的输出对应另一个环节的输入，形成对汽油机转速持续不断的控 制。 2 2 汽油机工作原理 2 2 1 汽油机的工作特性 7 第2 章汽油发电机组结构及t 作特性 汽油机工作时有周期性的特点，它发出的能量不是连续的而是断续的，因此， 严格的说，不能瞬时平稳地改变汽油机的进气量。汽油机的每个工况，都可以通 过一组反映汽油机某种性能的多个参数来表示，这些参数包括：有效功率、扭矩、 曲轴角速度、温度、过量空气系数、控制机构( 节气f - j ) 的位置等等。如果汽油机 的所有这些参数值都不随时问而改变，这种工况称汽油机的稳定工况，只有在汽 油机发出的能量与能耗装置消耗的能量相等的条件下，汽油机的稳定工况才能保 持下去。 汽油机的转速与转矩的关系如图2 2 所示，转矩随转速升高而降低( 曲线 1 4 ) 。曲线5 7 是能耗装置的阻转矩与速度的关系，阻转矩随转速的升高而升高。 当汽油机的工作条件或负载发生变化或一个瞬时的抚动，都将破坏汽油机原有的 稳定工况。负载曲线5 ，汽油机的节气门处于全开( 曲线1 ) ，则在a 位置处汽油机 保持稳定工况；当负载阻转矩由曲线5 变动到曲线6 ，汽油机的转矩大于阻转矩， 汽油机、负载转速上升，而转速的上升又使得汽油机的转矩下降、负载阻转矩上 升，在新的平衡点b 转速达到稳定并进入稳定工况；负载由曲线6 又回到曲线5 ， 负载的阻转矩增加，汽油机的转矩小于负载阻转矩，引起汽油机转速下降，转速 的下降又使得汽油机转矩增加、负载阻转矩降低，汽油机能回到原来的稳定工况 a 。所以，汽油机具有自稳定的特性。 t n 1 一节气门全开2 7 5 开度3 5 0 开度4 - - 3 0 开度 5 7 能耗装置的阻转矩特性 图2 2 汽油机的转速特性和负载的阻力矩特性 从一个稳定工况向另一个稳定工况的过渡过程中，汽油机的很多参数都在发 生变化。从使用的实际情况来看，对固定作业的汽油机，工况的不稳定大多是由 负载的变化引起的。在汽油机负载减小时，转速升高，在经过一段过渡时间之后， 趋于稳定。过渡过程的性质决定于汽油机的性能及其它部件( 包括负载、调速器) 的性能，因此，当汽油机装有调速器时，会明显改善汽油机的过渡过程。在负载 由曲线5 过渡到曲线6 时，若节气门关小到5 0 开度，则在图2 2 中c 位置汽油机进 入稳定工况，且汽油机转速变化不大。 第2 章汽油发电机组结构及t 作特性 2 2 2 汽油机转速调节的基本规律 如果节气门保持在一定的开度，工作混合气中燃油与空气的比例由化油器确 定，随汽油机工况变化不大。单缸四冲程汽油机的指示功率m ( k w ) ： m = n p m f 圪1 2 0 ( 2 1 ) 式中：，l 一转速( r m i n ) 磊，一平均指示压力( m p a ) 圪一每缸工作容积( l ) 汽油机的指示功率不能完全对外输出，其中还有不可避免的机械损失。指示 功率减去机械损失以后是对外输出的功率m ，m 与输出轴的有效扭矩瓦的关 系为： 毛= 9 5 5 0 x ( 2 2 ) 可见，输出轴的有效扭矩死与平均指示压力，之间接近j 下比的关系。因此， 扭矩的变化主要与充气量的变化有关，充气量决定于充气效率。充气效率仇是 实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气质量 的比值： 仉2 薏2 毒 汜3 ， m s y s 式中：m 。，k 一实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积 m s ，k 一进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积 影响充气效率r 。的因素有：进气( 或大气) 的状态、进气终了时的气缸压力和 温度、残余废气系数、压缩比、气门正时等。他们之间的关系为： 仉= 击考( 乒扣昙 陇4 ) 式中：z ，e 一进气( 或大气) 的状态气缸温度和压力 艺，只一进气终了的气缸温度和压力 霉，e 一残余废气温度和压力 s 一压缩比 9 第2 章汽油发电机组结构及丁作特性 f 进气门迟闭角影响系数 缈一排气门迟闭角影响系数 其中，进气终了压力只对充气效率仉的影响最大。当汽油机的节气门关小， 节流损失增加，引起只下降；当节气门开度一定时，转速增加，只下降，如图 2 3 p x 示，这也是与汽油机的速度一负荷特性相一致的。 p a n l 一节气门全开2 7 5 开度3 5 0 开度4 3 0 开度 图2 3 汽油机的进气终了压力和转速的关系 可见，在节气门开度一定时，输出轴的转矩随转速的升高而降低，节气门的 开度越小时，转矩随转速的变化越大。因此，在汽油机负载转矩得到一个增量的 情况下，如果汽油机的节气门处于一个较小开度位置，为维持汽油机转速不变， 节气门所需要增大的开度量较小；如果汽油机的节气门处于一个较大的开度位 置，为维持汽油机转速不变所需要的节气门开度的增大量较大。用线图表示出来 即是在汽油机的转速等于一个常数的条件下，汽油机的输出力矩与节气门开度之 间的静态关系如图2 4 所示。 t 图2 4 保持转速恒定，转矩与节气门开度的关系 这是汽油机调速器调节转速的基本规律：转速恒定在规定的范围内时，若负 载力矩发生变化就要求汽油机按此静态特性调节节气门来增减输出力矩。 l o 第2 章汽油发电机组结构及丁作特性 2 2 3 汽油机的过渡过程 汽油机转矩丁与负载转矩z 的差值决定汽油机转速的变化情况。当负载发生 变化，汽油机的稳定工况遭到破坏时，将引起汽油机一能耗装置的转速发生变化。 汽油机转速变化的快慢，不仅和汽油机转矩丁与负载转矩z 的差值有关，还取决 于包括能耗装置在内的汽油机运动件转化到汽油机曲轴旋转中心的当量惯性矩 j ，视能耗装置不同，当量惯性矩，的值也不同，但一般来说，当量惯性矩都比 较大。 d o ：r - t , 1 ( 2 5 ) 。一 、，j 一j d tj 对无调速器的汽油机，在节气门固定不动的情况下，卸载前处于一个转速较 低的稳定工况；卸载后，负载阻转矩减小，汽油机输出转矩大于负载转矩，转速 开始上升，这时的汽油机输出转矩与负载转矩的差值最大，汽油机转速上升得最 快。随着转速的升高，输出转矩r 减小，负载转矩z 增加，r 与乃的差值减小， 因此，转速上升率逐步减小，达到新的稳定工况时，汽油机的输出转矩等于负载 扭矩，其时间响应过程如图2 5 n 示。 n n 2 n l ot 图2 5 汽油机突卸负载转速变化过程 可以看出，汽油机突卸负荷的转速变化过程是一个惯性系统在阶跃信号作用 下的过渡过程。且由于进气比节气门开度的变化滞后，相当于一个延迟环节，因 此汽油机在不带调速器时的传递函数形式为： 耶) = 等 ( 2 6 ) 当汽油机装有调速器后，若转速增加，调速器动作，关小节气门；转速降低， 开大节气门，使汽油机转速始终稳定在额定转速上，调速器能够改变汽油机的过 渡过程。由于转速上升过程中节气门关小，转速上升的加速度降低，上升时间减 少，转速上升的幅度大大减小；上升到最大值后转速下降，由于进气较节气门开 度的变化滞后，转速下降到额定转速后要继续下降，然后再上升，上升所达到的 第2 章汽油发电机组结构及工作特性 最高转速小于上一次的最高速度，转速经过这样数次波动之后在新的转速点稳定 下来。突变负荷( 减小) 时转速随时间的变化过程如图2 6 所示。 n 2 r l o m a x n l 0t 图2 6 突变负荷调速过程的转速变化 在上面的过渡过程曲线中，汽油机的转速从上升开始到进入另一个稳定转速 所用的时间就是过渡时间。过渡过程时间的大小反映了调速器稳定性的好坏。 2 2 4 汽油机的动态特性 汽油机的转速的过渡过程中，描述汽油机动态特性主要有瞬时调速率4 、稳 定调速率4 以及过渡稳定时间三个指标。 ( 1 ) 瞬时调速率磊 瞬时调速率瓯是指突卸或突加全部负荷的最大或最小转速与负载变化前的 稳定转速的差值与标定转速之比，用百分数来表示，计算公式为： 4 ：( 他邗圳。 汜7 ， 式中：，z ，一突变负荷时汽油机的最高或最低( 对负荷增加) 转速( r m i n ) n ，一突变负荷前汽油机的转速( r m i n ) 一汽油机的标定转速( r m i n ) ，也是调速器需要的转速 瞬时调速率过大会影响系统的稳定，瞬时调速率4 是评价调速器过渡过程稳 定性的指标。 ( 2 ) 稳定调速率盈 稳定调速率反是指突然卸掉或增加全部负荷后稳定转速的差值与标定转速 1 2 第2 章汽油发电机组结构及工作特性 之比，用百分数表示，计算公式为： 反：( 。一心，) 1 0 0 ( 2 8 ) h b 式中：一一汽油机最高稳定空转转速( r m i n ) 稳定调速率反表明汽油机在调速系统控制的稳定工况下，最大或最小转速相 对于汽油机设定转速的变化范围，过大的稳定调速率对于汽油机的稳定工作非常 不利，并且稳定调速率过大还会加剧空载时汽油机的磨损。稳定调速率越小，表 明汽油机的稳态调速性能就越好。 ( 3 ) 稳定时间f 稳定时间f 。是指从转速骤然变化起到转速稳定在设定的范围内时所经历的 时间。稳定时间的长短也是反映调速器稳定性能好坏的重要标志之一。 2 3 发电机的结构和工作特性1 4 , 1 s , 1 9 1 在小型发电机系统中常用同步发电机作为发电装置。同步发电机和其它类型 的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式 同步电机和转枢式同步电机。图2 7 是最常用的转场式同步发电机的结构模型， 其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交 流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，由导磁的定子铁芯和导电的二相对称 绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部分组成。转子是磁极，用稀土永磁材料做 永久磁钢。当转子转动时，便在发电机的定子绕组中感应出三相交流电动势。在 磁路分布和绕级结构上保证定子感应电动势具有正弦波形。 图2 7 同步电机结构模型 2 3 1 频率与转速、极对数的关系 子铁心 定子绕组 第2 章汽油发电机组结构及| t 作特性 发电机的磁极对数为p ，转子转速为n 时，此电动势的频率为f = p n 6 0 ， 可以看出，当发电机的磁极对数p 和转子转速n 一定时，发电机交流电动势的频 率是一定的。也就是说，同步发电机具有转子转速和交流电频率之间保持严格不 变的关系，在恒定频率下，转子转速与负载大小无关，发电机转子的转速与发电 机空气隙中磁场的转速一样。 2 3 2 电动势 当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，使得相对静止的定子电枢绕组切割磁 力线而产生感应电动势。由于转子磁极制作成鸟嘴形特殊结构，使得定子绕组感 应产生的交流电动势近似于j 下弦曲线波形，因此三相电枢绕组产生的感应电动势 按j 下弦规律变化。 三相绕组中交流电动势瞬时值的表达式为： ei = e d n c o t s i n c o t 巳2 已。 e n = 或s i n ( c o t 一1 2 0 。) ( 2 9 ) 巳= bs i n ( 颤o t 一2 4 0 。) 式中，或一相电动势最大值 国一为电角速度，国= 2 a f 由式( 2 9 ) 可知，定子- - 卡f l 绕组感应电动势的幅值相等，大小为乜( 瓦 0 ) ， 电角度相差2 n 3 。每相绕组感应的有效电动势的有效值为 e o = 4 4 4 k l f n d k ( 2 1 0 ) 式中，毛一定子基波绕组系数； z 一感应电动势的频率； l 一定子绕组串联总匝数； 一每极气隙磁通量( w b ) ； 从式( 2 1 0 ) 可以看出，定子绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联线圈 的匝数以及感应电动势的频率成正比，即定子绕组的匝数越多、转子的转速越高， 绕组内感应产生的电动势就越高。 2 3 3 频率和电动势在本研究中的作用 1 4 第2 章汽油发电机组结构及工作特性 在本系统中，当负荷变化较大时，输出终端电压有较大波动，在原设计中是 采用在整流环节和逆变环节分别留有一定的余量，从而弥补终端电压的损失。但 是这种方法一方面造成了能量损失，另一方面在负载变化非常大时，余量不能完 全弥补电源电压损失，所以，为了保证输出电源电压的稳定，必须根据负载的变 化，不断调整发电机的输出电压，即调整电动势的大小。 在上一节中分析可知，电动势的大小随转速的增大而增大，故调整电动势就 要依靠调节汽油机的转速来实现。而转速又与频率成一定的比例关系，所以可以 通过测量发电机输出电源的频率间接得到转速值，从而实现整个汽油机一发电机 组系统的控制。 2 4 本章小结 本章在介绍了小型汽油发电机组的结构和控制原理的基础上，对汽油机的工 作原理、工作特性、速度特性、负载特性及过渡过程进行了详细分析，提出了评 价调速系统稳定性的三个动态特性指标：稳态调速率、瞬态调速率及过渡时间； 同时还分析得出汽油机模型为一个一阶惯性环节加纯延迟环节的结论；另外对同 步发电机的输出特性也做了详细的描述，并结合实际的研究系统对频率和电动势 的作用进行分析，为电路的设计和控制策略的确定提供了依据。 第3 章汽油发电机组控制系统的设计 第3 章汽油发电机组控制系统的设计 汽油机一发电机组系统是一个典型的闭环反馈控制系统，对该系统的控制， 实质上就是根据汽油机的运行状况和外界的负载变化，通过调整化油器节气门的 开度来改变供油量，从而使汽油机工作在稳定工况下，使系统的电源输出保持稳 定。从闭环控制理论上看，合理地建立系统的数学模型，是进行分析研究和设计 的基础和关键。但是，由于汽油机的结构比较复杂，影响因数众多，其工作过程 存在非线性、时变性和不确定性，所以汽油机的精确数学模型难于建立。但是汽 油机一负载系统是一个恒值调节自动控制系统，可以将原非线性系统假设为近似 线性系统，应用古典控制理论来进行控制【1 0 1 。本章在对控制系统模型分析的基 础上，探讨了控制方案的选择依据，给出了算法设计过程，并且将提出的设计方 案应用于实际发电机组中，同时给出了控制结果曲线。 3 1 汽油机一发电机组控制系统模型分析 汽油机一发电机组系统是一个典型的闭环反馈控制系统，通过对被控量的调 节，使系统的电源输出保持稳定，其组成框图如图3 1 所示。 图3 1 单闭环反馈系统框图 整个电子调速系统包括由数字控制模块、执行机构、检测装置等所构成的调 速装置和被控对象汽油发电机组组成。在这个控制系统中，( f ) 为给定输入量， y ( t ) 为实际输出值，6 ( f ) 是汽油发电机组的采样信号， 咒( f ) 为系统的扰动量，包 括扭矩变化和负载的变化量等。 3 2 控制方案的选择 从图3 1 的控制系统模型分析可以看出，合理选择一个反馈量y ( f ) 对整个系 1 6 第3 章汽油发电机组控制系统的设计 统的控制效果起着关键作用。 图3 2 汽油机一发电机系统框图 从图3 2 所示的汽油机一发电机系统框图中可以看出，我们可以考虑采用的反 馈量是汽油机转速栉，发电机输出端电压u ，电源输出电压砜以及负载电流f 等。 下面就这几个反馈量进行讨论，信号采集的硬件设计部分详见第4 章。 3 2 1 发电机输出端电压u 对于反馈量u ，考虑到在一部分汽油发电机系统中，采用的是全开全关型晶 闸管整流电路和电容滤波，如图3 3 所示。电容一直处于不断充放电的反复过程。 t - _ 毫么2s z王 | j l 巍 o o b u d 兰 = e z2z 哆绥v d 2 图3 3 电容滤波的整流电路 由“电压下降速度相等的原则【12 1 ，可以确定电流岛断续和连续的临界条 件为c o r c ：i 。图3 4 即为c o r c 等于和小于；时的电流波形。 ( a )( b ) 图3 4 电容滤波的三相桥式整流电路当国尺c 等于和小于i 时的电流波形 ( 以) c o r c = 括( 6 ) 缈r c v o 时，通过d 1 给c l 充电，在v i v o 时c l 通过r 1 放电。为了尽可能减小峰值检测输出与输入 信号峰值间的误差，r 1 应选择较大阻值以减缓放电速度；但是r l 过大又会存在 峰值检测的输出跟不上输入包络的情况。同样的，c 1 也存在着类似的矛盾。所 以，r l 和c 1 的值要仔细分析或者通过实验获取。在本次设计中，设置c 1 为 4 7 0 n f ，对于输入信号在3 0 0 h z 以上的情况，选择r l 为1 0 0 kq 就可以满足要求； 但是当输入信号为5 0 h z 的交流电信号时，r 1 要选择到5 0 0 kq 或更高。 3 6 第4 章汽油发电机组数字控制系统硬件设计 运放a 2